哈佛科學(xué)家成功3D打印“生物機(jī)器人”

    在當(dāng)前的3D打印領(lǐng)域，3D生物打印器官可以被稱為圣杯之一，世界各地的眾多研究團(tuán)隊(duì)都正在努力實(shí)現(xiàn)3D打印可植入的組織。日前，哈佛大學(xué)的研究人員朝著這個(gè)方向完成了重要的一步。在一次探索心臟組織工程的嘗試中，由該校教授Kit Kevin Parker帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)打造出了一條“活”的微型魔鬼魚(yú)（又稱黃貂魚(yú)、刺鰩）。據(jù)悉這個(gè)神奇的生物機(jī)器人是用大鼠心臟肌肉組織和3D打印的黃建軟骨組成的，它能夠?qū)�光的脈動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)。

當(dāng)然，在這里“活”一定是打引號(hào)的，因?yàn)檫@條硬幣大小的魔鬼魚(yú)并不是真正活的。盡管這些組織細(xì)胞是活的，而且它們也能夠?qū)�光線產(chǎn)生反應(yīng)，以方便移動(dòng)，但該生物實(shí)際上并不能進(jìn)行自主決策、繁殖等。盡管如此，這也可以稱得上是顛覆性的突破，并足以推動(dòng)機(jī)器人、人工智能、生物工程和3D生物打印領(lǐng)域更多的創(chuàng)新。對(duì)大多數(shù)顛覆性突破一樣，它也開(kāi)始于一個(gè)簡(jiǎn)單的想法。兩年前，Parker教授帶著年輕的女兒去波士頓的新英格蘭水族館，在那里他看到自己的女兒完全沉迷于魔鬼魚(yú)。教授看著展覽，開(kāi)始思考如何開(kāi)發(fā)能夠以類似蜿蜒模式移動(dòng)的肌肉。“突然就像一道閃電擊中了我，它看起來(lái)很像心臟的肌肉層，這使我找到了用肌肉組織打造該系統(tǒng)的方法。”他回憶道。

左側(cè)是人造的魔鬼魚(yú)，右側(cè)是真正的魔鬼魚(yú)

這個(gè)不尋常的概念被Wyss研究員Sung-Jin Park接受，并迅速成為哈佛大學(xué)應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院疾病生物物理學(xué)組研究人員的一個(gè)新的研究項(xiàng)目，牽涉其中的還有來(lái)自伊利諾伊大學(xué)、密歇根大學(xué)和斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員。它是如何工作的？簡(jiǎn)單地說(shuō)，這條小小的魔鬼魚(yú)結(jié)合工程、細(xì)胞培養(yǎng)、遺傳學(xué)和生物力學(xué)等領(lǐng)域的最新科技進(jìn)展于一體，其重量只有10克，其骨架是用非常薄的黃金3D打印而成的，上面還鋪了兩層薄薄的彈性聚合物。該聚合物上面覆蓋了大約20萬(wàn)個(gè)活的心肌細(xì)胞，這些細(xì)胞取自大鼠的心肌。

為了控制細(xì)胞，團(tuán)隊(duì)使用了光遺傳學(xué)技術(shù)，這是一種神經(jīng)科學(xué)研究的常用方法，即用光來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉神經(jīng)。神經(jīng)元或心臟肌肉并不會(huì)自動(dòng)對(duì)光產(chǎn)生反應(yīng)，但通過(guò)光遺傳學(xué)，可以通過(guò)一段DNA對(duì)細(xì)胞進(jìn)行升級(jí)。這段特殊的DNA編碼代表了一種可以對(duì)光產(chǎn)生反應(yīng)的蛋白，從而使細(xì)胞呈現(xiàn)光敏感性。如今，當(dāng)光線爆發(fā)時(shí)，經(jīng)過(guò)基因修改的細(xì)胞收縮，然后推動(dòng)鰭向下滑動(dòng)，當(dāng)細(xì)胞放松時(shí)，該人造魔鬼魚(yú)的骨架會(huì)將鰭收回來(lái)。結(jié)果就是這樣一個(gè)根據(jù)光線波動(dòng)來(lái)游泳的魔鬼魚(yú)機(jī)器人。Parker教授指出，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，細(xì)胞起到了傳感器和致動(dòng)器的作用，這既有好處也有缺點(diǎn)：雖然活的肌肉細(xì)胞比合成的致動(dòng)器更節(jié)能，但它們也很容易受傷害。為了保持其活力，它們需要浸泡在帶糖和鹽的溫暖溶液里。

在每個(gè)鰭上加上一個(gè)光源，使研究人員能夠分別刺激右側(cè)或左側(cè)的鰭，并操縱這個(gè)生物機(jī)器人向任意方向移動(dòng)。不同頻率的光可以控制鰭的速度，進(jìn)而改變魔鬼魚(yú)的速度。在這個(gè)研究中，Park將其對(duì)于水生生物的興趣與他想要了解心臟及其解剖結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面是如何幫助血液在體內(nèi)移動(dòng)的需要結(jié)合了起來(lái)。泵送和液體運(yùn)動(dòng)是海洋里的生命形式都非常擅長(zhǎng)的東西，他說(shuō)。盡管可能還要好幾年P(guān)arker才能夠打造出真正的人造心臟，不過(guò)這條幾乎活生生的3D打印鰩魚(yú)肯定是其朝著正確方向邁出的非常重要一步。

人類功能性肝細(xì)胞組織3D打印“大獲成功”

最近，生物打印領(lǐng)域不斷的“透露”出好消息：從零重力3D打印心臟結(jié)構(gòu)到基于細(xì)胞的生物打印機(jī)的成功測(cè)試，以及納米纖維生物打印技術(shù)在面部整容領(lǐng)域的成功應(yīng)用等。這些實(shí)例都充分證明了一個(gè)事實(shí)：生物3D打印技術(shù)能夠?yàn)槿祟悇?chuàng)造不可估量的價(jià)值！近日，由羅氏制藥和Organovo公司最近合作進(jìn)行的一個(gè)內(nèi)部研究顯示：3D生物打印的人類肝臟組織在人類雙細(xì)胞以及多細(xì)胞器官領(lǐng)域擁有廣泛的潛力。因此，利用3D生物打印技術(shù)創(chuàng)造的人類混合型胚胎干細(xì)胞能夠真正減少人類對(duì)定向藥物的異常反應(yīng)。

據(jù)了解，在生物學(xué)研究領(lǐng)域中，人們過(guò)去都是將一種或多種細(xì)胞局限于一個(gè)狹小的二維平面環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)。雖然這種方法最終也能夠令細(xì)胞形成組織結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)最終達(dá)到的厚度也只能是幾個(gè)細(xì)胞直徑那么多。而如今，生物3D打印技術(shù)改變了這一切，它令傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)更上一層樓。現(xiàn)在，生物學(xué)研究者們可以在三維的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行細(xì)胞的定向培育，而且可以達(dá)到想要的各種厚度。

在羅氏制藥和Organovo公司進(jìn)行的這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，3D生物打印技術(shù)為細(xì)胞組織的生長(zhǎng)提供了一個(gè)完美的三維環(huán)境，令其能夠在各個(gè)方向上進(jìn)行定向分裂，為之后的生物組織和細(xì)胞化學(xué)數(shù)據(jù)評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。換言之，利用各類人體肝細(xì)胞在三維環(huán)境中進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，將有助于科學(xué)家們更加方便的去調(diào)查并分析人類的組織病理學(xué)和生物化學(xué)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步深入研究人體組織創(chuàng)造條件，而且這比真正進(jìn)行復(fù)雜的人體實(shí)驗(yàn)要容易得多，成本也大幅降低。

在該實(shí)驗(yàn)中，這些3D打印的肝細(xì)胞組織當(dāng)中主要含有肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞，肝臟星形細(xì)胞以及人體臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞等各種類型的肝細(xì)胞。由于Organovo公司將它們長(zhǎng)期放在低溫條件下冷凍保存，因此它們一直保持著細(xì)胞活性。而另一些材料就是高濃度的生物油墨，成分主要是100%凝膠質(zhì)的組織實(shí)質(zhì)細(xì)胞。肝組織的形成過(guò)程主要是通過(guò)3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)，研究人員們首先將活性細(xì)胞與生物油墨的混合材料輸入生物打印機(jī)，然后在三維的培養(yǎng)皿環(huán)境下進(jìn)行精準(zhǔn)的打印塑形，最終形成他們想要的立體組織結(jié)構(gòu)。在這個(gè)案例中，整個(gè)肝組織并非完全復(fù)制了人體天然的肝小葉結(jié)構(gòu)。而且由于細(xì)胞材料的多樣性，最終形成的3D肝臟組織結(jié)構(gòu)能夠在肝臟特殊的功能性用途中充當(dāng)關(guān)鍵角色。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不僅證明了生物打印的組織在成型的過(guò)程中能夠充當(dāng)組織實(shí)質(zhì)細(xì)胞或非組織實(shí)質(zhì)細(xì)胞兩種不同的功能性角色，而且這些形成的組織通過(guò)時(shí)間的推移將會(huì)逐漸凝結(jié)并塑形，最終形成穩(wěn)定，高細(xì)胞濃度并且不會(huì)壞死的3D活性組織結(jié)構(gòu)。另一項(xiàng)令人震驚的發(fā)現(xiàn)是，在活性肝細(xì)胞中的兩大重要組成部分--脂類和肝糖原，在利用3D打印形成的成熟肝組織當(dāng)中的存量并沒(méi)有發(fā)生多少改變。而且在特異性染色細(xì)胞的比例方面，3D打印的肝組織與正常人體肝組織也十分相似。除此之外，為了試驗(yàn)3D打印的活性肝組織的毒性處理能力，研究人員們使用了相對(duì)沒(méi)有太大毒性的藥物進(jìn)行了各種類型的毒性環(huán)境測(cè)試，并證明了3D打印的活性肝組織具有一定的毒性處理能力，這證明了3D打印的生物肝組織能夠在臨床毒性研究領(lǐng)域發(fā)揮重要價(jià)值。對(duì)于生物細(xì)胞3D打印的研究遠(yuǎn)不止如此，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D生物打印技術(shù)能夠越來(lái)越體現(xiàn)出其巨大的潛力并逐漸開(kāi)啟未來(lái)的細(xì)胞組織生物學(xué)研究的大門(mén)。

(責(zé)任編輯：admin)

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